单调载荷和循环载荷对无取向电工钢及取向电工钢磁性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effect of monotonic and cyclic loading on the magnetic properties of non-oriented and grain-oriented electrical steels

电气钢在单调及循环拉伸载荷下的磁性能退化机制研究。通过单带测试器分析非取向和取向电气钢在应力低于屈服强度时的磁特性变化，发现350MPa最高应力下产生可测膝点偏移，归因于微屈服和异质位错结构形成导致的长程内应力。循环载荷（Rσ=0.1）在350MPa应力下1%疲劳寿命即出现累积塑性变形（ratcheting），320MPa亦出现磁降解，表现为矫顽力增加和铁损上升，而40%屈服应力的取向钢无明显磁性能变化。

　　

C. Backes | M. Smaga | T. Beck

材料科学与工程研究所（WKK），凯泽斯劳滕-兰道应用技术大学，Gottlieb-Daimler-Stra?e，67663 凯泽斯劳滕，德国

摘要

本研究使用单条带测试仪研究了单调和循环拉伸载荷对非取向电工钢（NOES）和取向电工钢（GOES）磁性能的影响，测量了这两种材料在机械载荷作用后的磁性能。在拉伸试验中，试样被施加不同的载荷水平，直至低于屈服应力后释放。对于NOES，只有最高的载荷水平（最大应力σ_max为350 MPa）导致磁化曲线的拐点发生了可测量的变化。这归因于微屈服现象以及由此产生的异质位错结构，这些结构产生了长程内部应力。循环载荷在拉伸-拉伸条件下进行，R_σ = 0.1，σ_max 分别为200、320和350 MPa，随后在疲劳状态0.1%、1%、10%、50%和100%时进行单条带测试仪测量。在σ_max = 350 MPa时，预期寿命的1%后检测到迟滞现象，而在较低应力下则未出现迟滞现象。尽管如此，在350 MPa的循环载荷下以及320 MPa的载荷下也观察到了磁性能下降，表现为磁场强度需求增加和比损耗增大。这归因于位错积累及其相关内部应力。此外，通过MOKE显微镜在循环载荷前后进行的畴成像显示，在σ_max = 350 MPa时疲劳寿命的10%后结构得到了细化，而在较低载荷水平下则未观察到明显的畴演变趋势。在40%屈服应力的单次载荷下测试的GOES中，未发现单调或循环载荷对磁性能有系统性影响，这主要是由于晶粒尺寸较大和试样几何形状较小所致。

引言

电工钢是电动机和变压器磁芯的主要组成部分[1]。由于需求的增加和行业特定要求，针对汽车行业中的电驱动装置，对电工钢进行了大量研究和开发。牵引电机的设计根据其预期应用和效率性能而有所不同。永磁同步电机（PMSMs）在效率和功率密度方面提供了令人满意的平衡，目前占据最大的市场份额[2]。稀土材料的使用对PMSMs至关重要[3]。因此，电动汽车中越来越多地采用电激励同步电机（EESMs），这些电机不需要稀土材料，并且可以选择将异步电机集成到四轮驱动系统中[4]。这种方法在广泛的转速范围内提高了效率[5]。

这类电机的效率和寿命不仅受电磁和热因素的影响，还受机械应力的影响[6]。例如，高转速会产生离心力，可能导致应力超过屈服应力，尤其是在转子中[7]。模拟表明，在PMSMs中，峰值应力出现在磁通屏障处和转子-轴接口附近[8]。除了离心力外，制造过程中通过压配引入了机械应力[9]，运行过程中由于转子的热膨胀[10]，以及由径向力、扭矩波动和齿槽转矩引起的定子和转子振动[11][12]也会产生机械应力。虽然机械应力通常在峰值载荷下超过屈服强度，但由于上述载荷，屈服强度以下的机械疲劳也可能造成损伤。这种机械疲劳可能会降低电工钢芯的磁性能，从而随着时间的推移降低电机效率[13]。

磁性能的退化是由磁机械耦合引起的，这种耦合源于逆磁致伸缩效应，也称为Villari效应。这描述了机械应力导致的磁性能变化[14][15]。许多研究探讨了这种相互作用，表明相同材料在受到拉伸和压缩应力作用时，其磁响应有所不同。小的压缩应力会导致铁损耗急剧增加[16][17]，而小的拉伸应力最初会降低损耗，达到一定程度后损耗会适度增加[18]，接近弹性极限时损耗会进一步增加[19]。Iordache等人[20]报告称，在拉伸载荷接近宏观屈服点时，由于微塑性导致磁性能显著退化，这归因于增加了磁弹性能量的内部应力。类似地，Leuning等人[21]得出结论，在单调拉伸应力下，损耗的增加主要是由于滞后损耗的增加，这与位错结构和内部应力有关，这些因素改变了磁晶各向异性。上述研究主要通过原位测量来研究磁性能退化，其中材料经历了单调机械载荷。然而，对于循环载荷引起的变化，目前只有离位磁测量数据可用[22][23]。值得注意的是，当原位磁测量显示载荷过程中磁性能退化时，卸载后的磁性能大部分可以恢复，尤其是在弹性范围内[24]。

Karthaus等人[22]通过离位磁测量研究了在高循环疲劳（HCF）条件下非取向电工钢的疲劳引起的磁性能退化，施加的最大应力约为屈服强度的70%。他们报告称，在疲劳寿命的早期阶段磁性能变化最为明显，但在所研究的应力水平下总体退化程度较轻。Zuber[23]将研究扩展到最大应力约为屈服强度的85%，发现磁导率主要在前10³个载荷循环内退化，而铁损耗受影响较小。这种影响在低磁化频率和低极化强度下尤为明显。相比之下，本文作者[25]研究了超过屈服强度的循环载荷的影响，预期试样会失效。他们表明，迟滞现象在早期疲劳阶段导致了明显的塑性变形，从而引发了与超过屈服强度的单调载荷观察结果一致的显著磁性能退化[26][27]。

以下工作重点研究了在低于屈服强度的机械和循环拉伸载荷下，非取向和取向电工钢的磁性能变化。因此，将研究电工钢试样在应力-载荷循环变化方面的表现，而不考虑由单调载荷或迟滞引起的显著塑性变形。本研究旨在探讨机械载荷如何影响磁性能的发展，进而影响材料的磁化和磁性能。

材料

本研究使用了两种商业上可获得的非取向（NOES）和取向（GOES）电工钢，厚度分别为0.35毫米和0.27毫米，用于机械载荷和随后的磁性能测量。试样按照轧制方向（RD）从板材上通过水刀切割而成，形成了两种几何形状（见图2）。为了消除潜在的边缘效应对疲劳寿命的影响，随后对试样边缘进行了研磨和机械抛光。

方法

根据DIN 50125[35]标准，使用配备250 kN载荷传感器的ZwickRoell万能试验机，按照DIN EN ISO 6892-1[36]规范，测定了电工钢的拉伸性能（见表2）。为了研究拉伸载荷对磁性能的影响，采用了与疲劳试验相同的试样几何形状（见图2c），在同一台机器上进行了间断单调拉伸试验（见第3.1节）。疲劳试验也使用了相同的试样几何形状。

非取向电工钢

为了研究单调和循环载荷在弹性范围内对磁性能的影响，使用了相同的最大载荷水平。分别施加了大约50%、80%和85%的R_eH的最大应力，对应的σ_max分别为200 MPa、320 MPa和350 MPa，因为NOES的上屈服强度R_eH为405 MPa。在单调载荷下，试样被加载到预定的σ_max，然后释放。相应的应力-应变关系如下：

非取向电工钢

在f_mag = 50 Hz和H_max = 10.000 A/m的条件下测得的NOES磁化曲线如图5所示。单调载荷（ML）对卸载后磁化行为变化的影响相对较小，但在最高载荷水平σ_max = 350 MPa时最为明显（见图5a），此时拐点向更高磁场强度方向移动。σ_max = 200 MPa和320 MPa的磁化曲线与初始状态（IS）测得的曲线略有偏差。

总结与展望

本研究探讨了单调和循环拉伸载荷对非取向和取向电工钢磁性能的影响。试样在低于屈服强度的情况下受到机械载荷作用，卸载后进行了磁性能表征。主要研究结果总结如下：

• 1.
  非取向电工钢（NOES）在三个最大应力水平下受到单调载荷作用，分别约为屈服强度的50%、80%和85%

CRediT作者贡献声明

C. Backes：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。M. Smaga：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。T. Beck：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由德国研究基金会（DFG，项目编号TRR 173/2 - 268565370 Spin+X，项目B08）资助。